Summary
我们提出了一种在对象传输任务中应用不一致的视觉触觉刺激的协议。具体来说, 在隐藏手的过程中执行的块传输过程中, 块的虚拟呈现显示了错误块掉落的随机匹配。该协议还描述了在执行电机任务时添加振动反应反馈。
Abstract
涉及干扰触觉反馈的不一致感觉信号的应用很少被探讨, 特别是在存在振动触觉反馈 (VTF) 的情况下。本协议旨在测试 VTF 对不一致的视觉触觉刺激反应的影响。触觉反馈是通过抓住一个块并将其移动到一个分区来获得的。视觉反馈是利用运动捕捉系统获得的移动块的实时虚拟呈现。一致的反馈是块运动的可靠呈现, 让主体感觉到方块被抓住, 看到它随着手的路径移动。当方块的运动偏离实际的运动路径时, 不一致的反馈就会出现, 因此当它实际上还被主体持有时, 它似乎会从手上掉落, 从而与触觉反馈相矛盾。20名受试者 (年龄为30.2±16.3 岁) 重复了16次块转移, 而他们的手被隐藏。这些重复与 VTF 和没有 VTF (共32个块调动)。在每个条件下 (有和没有 VTF), 不一致的刺激在16次重复中随机出现两次。要求每个科目对有和没有 VTF 的任务的难度水平进行评分。在与 VTF 和无 vtf 的视觉触觉信号记录的传输之间的手路径长度和持续时间没有统计学上的显著差异。用 VTF 执行任务的感知难度水平与 VTF 块的归一化路径长度显著相关 (r = 0.675, p = 0.002)。该设置用于量化 vtf 在涉及不一致的视觉触觉刺激的运动功能过程中的加性或还原值。可能的应用包括假肢设计、智能运动服或任何其他包含 VTF 的服装。
Introduction
幻觉是对我们感官局限性的剥削, 因为我们错误地感知偏离客观现实的信息。我们的感知推理是基于我们在解释感官数据的经验和计算我们的大脑最可靠的估计现实在不明确的感官输入1的存在。
幻象研究中的一个子类别是一个结合了不一致的感官信号的子类别。由不一致的感官信号产生的错觉源于我们大脑不断的多感官整合。虽然有许多关于视觉听觉信号不一致的研究, 但其他感觉对的不一致报道较少。报告数量的这种差异可能归因于设计包含视觉听觉不一致的设置的更简单性。然而, 报告与其他感官对模式相关的结果的研究是有趣的。例如, 利用在空间频率上匹配视觉和触觉刺激的系统, 研究了不一致的视觉触觉信号对视觉灵敏度2的影响;然而, 触觉和视觉方向是相同的 (一致的) 或正交的 (不一致的)。在另一项研究中, 利用带有显示视觉刺激和触觉的亮板的视觉触觉多模态积分刺激器, 研究了不一致的视觉触觉运动刺激对感知的视觉运动方向的影响在皮肤上显示具有任意运动方向、速度和压痕深度的触觉运动刺激器3。有人建议, 我们在内部代表任务的统计分布和我们的感官不确定性, 并以与性能优化贝叶斯过程4一致的方式将它们结合起来。
虚拟现实使欺骗主体视觉反馈的能力成为一项容易的任务。几项研究使用多感官虚拟现实来不一致的视觉和体感信息。例如, 虚拟现实最近被用来诱导儿童体内的体现, 无论是否激活了类似儿童的语音失真5。在另一个例子中, 自我运动过程中行走距离的视觉呈现被扩展, 因此与基于身体的暗示所感受到的移动距离不一致.为自行车活动设计了类似的虚拟现实设置7。然而, 除了不一致的信号外, 上述所有文献都没有将干扰与其中一种感官结合起来。我们选择了触觉来接受这样的干扰。
我们的触觉感官系统提供了直接的证据, 说明是否有一个物体被抓住。因此, 我们预计, 当直接视觉反馈被扭曲或不可用时, 触觉感觉系统在对象操作任务中的作用将是突出的。然而, 如果触觉感觉通道也受到干扰, 会发生什么？这是一个可能的结果, 使用肌动反馈 (VTF) 的感官增强, 因为它抓住了个人8的注意。今天, 不同模式的增强反馈被用作一个外部工具, 旨在提高我们的内部感官反馈和提高运动学习期间, 运动和康复环境中的性能 9。
对不一致的视觉触觉刺激的研究可能会增强我们对感官输入感知的理解。特别是, 在涉及视觉触觉刺激的运动功能过程中, VTF 的添加剂或还原值的量化, 可以帮助未来的假肢设计、智能运动服或任何其他包含 VTF 的服装。由于截肢者在其残渣的远端被剥夺了触觉刺激, 他们每天使用的 VTF, 嵌入假肢, 以传达掌握的知识, 例如, 可能会影响他们如何感知视觉反馈。了解这些条件下的感知机制, 将使工程师能够完善 VTF 模式, 以减少对 VTF 用户的负面影响。
我们的目的是测试 VTF 对不一致的视觉触觉刺激的反应的影响。在所提出的设置中, 通过抓取一个块并将其移动到一个分区中, 获得触觉反馈;视觉反馈是移动块和分区 (使用运动捕获系统获取) 的实时虚拟表示。由于主体无法看到实际的手部运动, 唯一的视觉反馈是虚拟的手部运动。一致的反馈是块运动的可靠呈现, 让主体感觉到方块被抓住, 看到它随着手的路径移动。当方块的运动偏离实际的运动路径时, 不一致的反馈就会出现, 因此当它实际上还被主体持有时, 它似乎会从手上掉落, 从而与触觉反馈相矛盾。测试了三个假设: 当使用虚拟视觉反馈将对象从一个位置移动到另一个地方时, (i) 当呈现不一致的视觉触觉刺激时, 对象传递运动的路径和持续时间会增加, (ii) 这种变化会增加当在移动臂上显示不一致的视觉触觉刺激和激活 VTF 时, 会增加, 并且 (iii) 在 VTF 激活的情况下执行任务的感知难度水平与 VTF 激活的路径和持续时间之间会发现正相关。对象的传递运动。第一个假设源于上述文献, 这些文献报告说, 各种不一致的反馈方式会影响我们的反应。第二个假设与先前的研究结果有关, 即 VTF 抓住了个人的注意力。对于第三种假设, 我们假设受 VTF 干扰较大的受试者更信任虚拟视觉反馈, 而不是他们的触觉。
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Protocol
以下协议遵循了该大学人类研究伦理委员会的指导方针。有关商业产品的参考,请参阅材料表。
注: 在获得大学道德委员会批准后, 征聘了20名健康人士 (7名男性和13名女性, 年龄为30.2±16.3 岁的平均和标准偏差 [SD])。每个主体都阅读并签署了一份知情同意书预审。纳入标准是18岁或18岁以上的右撇子。排除标准是影响上肢或未矫正视力障碍的任何神经或骨科损伤。研究对象对不一致的视觉触觉反馈的发生是天真的。
1. 预审准备
- 使用木箱从盒子和块测试10。盒子的尺寸是53.7 厘米 x 26.9 厘米 x 8.5 厘米, 在它的中间, 是一个15.2 厘米高的分区。将柔软的海绵层放在隔板的两侧。在屏幕对面的侧面、四个角和分区的两端放置六个被动反射标记 (图 1a)。
- 使用3d 打印机制造尺寸为2.5 厘米 x2.5 厘米 x2.5 厘米的立方体, 连接到尺寸为4.5 厘米 x 4.5 厘米 x1 厘米的底座上。打印前, 剪切底座的每个角, 在每个角落创建一个大小为1厘米 x 1 厘米的正方形 (图 1a)。在底座的四个角上附加被动反射标记。
- 将大屏幕放置在桌子前面约1.5 米, 这样站在桌子后面的主体距离屏幕大约2米。将盒子放在桌子上, 距离屏幕对面的边缘10厘米。
- 使用在 100 Hz 下激活的6相机运动捕捉系统, 使用插件实时可视化分区和块的移动 (图 1)。根据制造商的指导原则校准运动捕捉系统, 使箱体的块和隔板被识别为刚体。
注: 需要正确校准运动捕捉系统, 并使用牢固地连接到块和隔板上的小标记, 以保持错觉。
2. 在主题上放置振动反应反馈系统
注: 此处描述的 vtf 系统以前发布过11、12、13、14。
- 指导拍摄对象取下腕表、手镯和戒指。将 VTF 系统控制器连接到主体的前臂 (图 2, 左图)。
- 将两个薄而灵活的力传感器连接到拇指和食指的掌部, 在一个薄薄的海绵层上 (图 2, 右图)。
- 将袖口放在主体上臂的皮肤上 (图 2, 左图), 并使用紧固件舒适地关闭袖口。袖口将包含三个振动触觉执行器, 通过一个开放源式电子原型平台激活, 频率为 233 Hz, 与力传感器感知到的力呈线性关系。力传感器和振动执行器通过屏蔽电线连接到开源电子原型平台。
3. VTF 激活
- 按下按钮可激活连接到控制器的电池 (图 2, 左图)。
- 要求拍摄对象轻轻按下力传感器的仪器手指 (即拇指和食指)。请注意, 拍摄对象将报告袖口下区域的振动感。
- 指示主体训练 10分钟, 尽可能轻抓块, 只使用两个仪器手指。让主体提起方块, 移动它, 并将其重新放在桌子上几次, 试图在方块上施加最小的力。鼓励主体尝试减少施加的力, 即使在抓取过程中丢弃了块。
4. 专题的定位和准备
- 指示主体站在靠近桌子的地方 (离桌子不超过10厘米), 在那里放置盒子和隔板。
- 在靠近主题的桌子边缘和盒子上方放置一个分隔线, 这样主体就看不到盒子, 但可以很容易地看到他或她面前的屏幕 (图 1a)。对于分隔线, 使用硬的非反射材料, 最好是木材, 固定在四条腿上, 这允许调整其高度, 以适应不同高度的对象。
- 指示主体将耳机放在头上。
- 将方块放在盒子右隔间的中间, 引导主体的手靠近它。
5. 开始试用
注: 所述试验重复两次, 有和没有 VTF (建议进行交叉设计, 以验证没有学习效果)。要在没有 VTF 的情况下执行试用, 请关闭连接到控制器的电池 (图 2)。
- 激活控制运动捕捉系统摄像机的软件。
- 在视觉反馈软件的控制面板中 (图 1b), 选择 "没有 vtf", 键入主题的代码, 单击 "运行"、 "连接"、 "打开" 和"开始"。
- 指示拍摄对象在查看屏幕上虚拟块的移动时, 使用力传感器的检测手传输块执行16次重复操作 (图 1b)。每次传输后, 将块移动到其起始位置。
- 主题完成16次重复后, 单击 "停止"。
- 要求受试者根据以下比例对执行将块转移的任务进行两次的难度级别进行评分, 无论是否使用 VTF, 按以下比例: "0 ' (一点也不困难)、' 1 ' (稍有困难)、" 2 "(中等难度)、" 3 "(非常)困难) 和 "4" (极其困难)。
6. 员额分析
- 使用块的3D 坐标数据计算块的路径及其传输时间。手动标记每次转移的起始时间和偏移时间, 就像块位于右轮圈的高度时一样 (开始), 然后标记框的左侧 (偏移) 边。根据以下公式计算每次传输的路径长度:
(2)
块在两个
后续时间点中的3d 坐标。 - 对于这两种情况, 无论是否有 VTF, 均应使用不一致的视觉触觉信号将两个传输的路径长度和传输时间一次, 对于具有一致视觉触觉信号的14个传输, 则平均路径长度和传输时间一次。
- 在块传递过程中, 在一致的视觉触觉信号存在的情况下, 通过在块传输过程中的路径和时间对路径和时间进行归一化, 同时存在一致的视觉触觉信号。分别对这两个条件执行规范化 (有 VTF 和没有 VTF)。
- 执行主题内重复测量方差分析, 有两个因素: VTF (有和不包括) 和不一致的视觉触觉反馈 (有和不有)。
- 如果按照第6.4 小节中的说明分析结果时没有统计差异, 请使用贝叶斯重复度量方差和两个因素 15。
- 使用 Spearman 的相关测试与感知的困难水平, 在 VTF 激活和归一化路径和持续时间的议案
- 将统计意义设置为 <. 05。
块在两个
后续时间点中的3d 坐标。Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
我们使用所描述的技术来测试三个假设, 即当使用虚拟视觉反馈将对象从一个地方移动到另一个地方时: (i) 当视觉触觉刺激不一致时, 物体的传递运动的路径和持续时间会增加。提出;(ii) 当不一致的视觉触觉刺激被呈现并且 VTF 在移动的胳膊被激活时, 这变化将增加;(iii) 在激活 VTF 的情况下, 执行任务的感知难度水平与对象转移运动的路径和持续时间之间会发现正相关。
结果支持第三种假设。图 3显示了报告的使用和不使用 vtf 执行任务的难度级别。根据斯派曼的相关测试, 用 Vtf 执行任务的感知难度级别 (从 "0" = 根本不困难, 到 "4" = 极难) 与 VTF 的块的路径归一化长度显著相关 (r = 0.675, p =0.002;图 4)。换句话说, 在不一致的视觉触觉信号存在的情况下, 对于那些认为在使用 VTF 时任务更困难的受试者来说, 归一化路径长度的时间更长。与 VTF 一起执行任务的感知难度水平与没有 VTF 的块的归一化路径长度之间没有显著的相关性 (r = 0.132, p = 0.589)。此外, 与 VTF 一起执行任务的感知难度水平与归一化块传输时间之间没有显著的相关性, 无论是否有 VTF (r =-0.056, p = 0.26 和 r =-0.056, p = 0.825)。
我们建议将路径长度和时间规范化, 因为每个主体的绝对时间和路径取决于每个主体的移动速度和策略, 因此非规范化值不会反映个人由于不一致的视觉触觉信号的外观。由于每次传输后, 我们都会将块重新定位回确切的起始位置, 因此块的路径长度不受起始位置的影响。对于具有两个因素的主体内重复测量方差分析 (VTF (有和无) 和不一致的视觉触觉反馈 (有和无), 在块传输过程中, 手路径的长度没有发现统计上显著的主要影响。与没有 VTF (F(1,15) = 0.029, p = 0.866) 的试验相比, 与没有 VTF () = 0.866) 的试验相比, 与视觉触觉反馈不一致的试验 (F(1,15) = 0.029, p = 0.866) 进行试验。此外, 与没有 VTF (F(1,15) = 0.354, p = 0.561) 的试验相比, 在为 VTF 的试验转移块的时间内, 与不一致的试验相比, 在使用 vtf 进行的试验中, 没有发现统计上显著的主要影响。视觉触觉反馈 (F(1,15) = 1.169, p = 0.297)。
在没有 VTF 的试验中, 在具有不一致和一致视觉触觉信号记录的转移 (27.3±13.1 厘米和25.9±12.2 厘米) 的转移过程中, 手路的长度没有统计学上的显著差异,和之间的时间之间的传输块记录不一致和一致的视觉触觉信号 (分别为1.18±0.56 秒和 1.20±0.57秒)。同样, 在添加 VTF 时, 在块传输过程中, 手路的长度没有统计学上的显著差异, 记录的视觉触觉信号不一致 (分别为24.7±7.4 厘米和 26.1±11.1 cm)。传输用不一致和一致的视觉触觉信号记录的块的时间 (分别为 1.21±0.38 s 和1.06±0.41 秒)。根据贝叶斯的统计数据, 没有涉及群体因素的差异只能作为传闻证据, 因为没有一个拟合模型比空模型 (2.769 < 所有 BF 01 < 33.573) 有最大误差为2.72。
图 1: 试用版。(a) 放在盒子上的标记 (6个红色标记, 其中2个标记放在隔板上) 和块 (4个蓝色标记), 隐藏在主体的眼睛上。通过运动采集系统对标记进行实时跟踪, 并实时记录所有标记的三维坐标。(b) 块的隔板的隔板和移动显示在位于主体前面的屏幕上。研究协议中介绍了软件激活步骤.请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 振动反馈系统.系统控制器连接到主体的前臂上, 袖口包裹在上臂上 (左图)。力传感器被放置在拇指和食指的手掌方面 (右图)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 报告的难度级别 (0 = 一点也不困难, 1 = 稍微困难, 2 = 中等难度, 4 = 极难) 在有和没有振动反馈 (VTF) 的情况下执行任务.请点击这里查看此图的较大版本.
图 4: 在传输时使用 vtf 执行任务时, 使用 VTF 执行任务的散点图 (0 = 一点也不困难, 1 = 稍微困难, 4 = 极其困难)与 VTF.对于认为任务更困难的受试者来说, 归一化路径长度 (在不一致的视觉触觉信号存在的情况下, 路径长度除以路径长度) 明显更长。使用 VTF。请点击这里查看此图的较大版本.
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Discussion
在本研究中, 提出了一种在不一致的视觉触觉刺激作用下, 量化添加 VTF 对物体传递运动学影响的协议。据我们所知, 这是唯一可用来测试 VTF 对不一致的视觉触觉刺激的反应的影响的协议。在与 VTF 的对象传输过程中应用不一致的视觉触觉刺激所涉及的几个关键步骤包括: 将 VTF 系统连接到主体上, 激活 VTF, 准备运动捕捉系统和运动任务, 并激活视觉反馈。至关重要的是, 当事人在审判期间不知道可能出现误导反馈。为了确保这一点, 盒子的底部是内衬柔软的海绵层和研究对象戴耳机, 以消除听觉反馈块下降和击中木箱。此外, 不一致反馈的两个传输是随机选择的16个传输, 并被编程来模拟下降后, 在2厘米以下的分区高度, 使手在半空中。这两个随机误导性的视觉信号被编程, 因此它们不会发生在第一个或最后两个块传输中, 并且它们之间至少有一个非误导性传输。
该协议的一个优点是, 误导性视觉反馈是随机出现的, 在16传输试验中只出现了几次。这样可以防止主题不信任虚拟演示文稿。由于本试验中提供给主体的两个信号之间的冲突非常大, 因此, 受约束协议的目的是通过提供合理数量的块滴来提高误导性视觉反馈的可靠性。Shams16讨论了听觉信号和视觉信号之间的相互作用受两者之间的冲突程度和先前关于试验设置的知识的影响。在本文设计的触觉和视觉信号之间的相互作用中也可能出现这种情况。该系统的另一个优点是, 为了实时显示块的位置, 运动捕获系统计算块的三维坐标, 以便在每次重复中对块的运动时间和路径进行分析在审判结束时, 将高效、准确地进行。
利用该协议, 我们的初步研究结果表明, 在分析视觉触觉不一致信号时, 一个是光触直接获得的, 另一个是通过视觉间接获得的 (虚拟表示), 主体可能忽略了间接信号。视觉反馈, 并响应直接触觉信号。这也证实了在 VTF 的存在, 从而拒绝了第二个假设。我们预计, VTF 将分散对主题的注意力, 从光直接触觉反馈, 从而迫使主体的反应犹豫不一致的刺激。这种犹豫预计将表现为块传输的路径和持续时间较长。这一假设是基于先前的研究结果, 该研究表明, 振动触觉小说刺激从正在进行的视觉任务8中吸引注意力。选择路径长度和持续时间作为犹豫的指标, 区分了两个条件: 当误导性视觉反馈发生时, 主体可以信任触觉反馈或视觉反馈。如果主体信任触觉反馈, 那么我们希望他或她将继续平滑的运动路径。相反, 如果被试相信虚假的视觉反馈, 我们希望他或她将手向后移动, 以抓住下降的块并重新转移它 (增加路径长度和持续时间)。VTF 对块运动运动学缺乏影响的一个可能的解释是, 由于 VTF 是与直接触觉反馈结合使用的, 因此 VTF 不是作为干扰, 而是作为直接触觉的间接放大器反馈。这使得研究对象能够继续信任触觉反馈, 直接和间接, 对虚拟视觉反馈。除了可能被振动信号分散注意力外, 还应该考虑在电机任务过程中应用振动的另一个方面: 它对我们对触觉和本体感觉感知的影响。研究表明, 肌腱振动在触觉感知和身体尺寸或位置的感觉 17, 18,19之间产生了错觉。例如, 对二头肌或三头肌肌腱的振动产生了一种本体感觉的错觉, 这对触觉产生了影响.然而, VTF (即与触觉刺激结合的振动) 对触觉感知本身的影响尚未研究, 因此人们无法推断在试验期间应用于上臂的振动是否影响了对触觉感知的感知。主体的本体感知或触觉。最后, 拒绝第二个假设的一个可能的解释是, 如下文所述, 被试处理 VTF 的能力存在个体差异。
在本研究中, 与 VTF 执行任务的感知难度水平与 VTF 块的归一化路径之间存在很强的相关性, 证明了第三种假设, 并表明认为 VTF 干扰了他们的受试者信任虚拟视觉反馈比他们的触觉更多。文献中也有类似的关于感官幻象感知差异的报道。例如, 感觉建议量表 (SSS) 分数较高的受试者将橡胶手在橡胶手错觉中的所有权感评为高于 SSS 分数较低的受试者 21.幻象感知的个体差异的另一个方面可能来自于时间感知绑定窗口的差异, 这在整合多感官线索时导致了变化22。研究发现, 具有较窄的感知绑定窗口的个体不太可能感知到幻象, 这表明他们更有可能分离临时异步输入。需要注意的是, 与 VTF 执行任务的感知难度水平与 VTF 块的归一化时间之间没有显著的相关性。这可以用手速来解释。具体而言, 当被试在存在误导虚拟信号的情况下增加手路径长度时, 他们可能会加快手部移动速度, 使完成任务的总持续时间与他们在没有误导性反馈。
该协议的一个限制是, 向主体提供的对块施加最小力的指令可能是被主体执行的不同, 因此一些主体施加的力比其他人高, 从而感知到更高的直接触觉信号, 这可能会影响结果。不幸的是, 力传感器探测到的确认这一假设的力量没有记录。记录力是未来研究的一个可选功能, 可能会提供有关主体在试验期间所感知到的触觉信息的信息。此外, 此处设计的虚拟表示提供了块移动和框分区的位置, 因此没有主体手的虚拟表示。正如以前的研究表明, 关于表观手位置的视觉信息可能会对触觉判断产生多模态影响, 即使视觉与本体感知冲突 23,24,25,在这次试验中增加手的代表可能改变了这项研究的结果。此外, 所选的块传输任务可能太快。今后对该协议的修改可能包括一项更复杂的任务, 以便在有和没有自愿信托基金的情况下完成任务的持续时间差异会更大。此外, 可以使用 SSS 来控制个体差异。最后, 在本协议中, 只有少量的视觉触觉不一致反馈的重复是可能的, 这样就不会提醒主题有关误导性的视觉反馈。如果被试怀疑他们被视觉呈现所欺骗, 协议的可靠性就会受到损害。因此, 误导性反馈占审判总数的比例应该是最低的。不幸的是, 少量不一致的实例可能会限制统计能力。
总之, 对具有和不具有 VTF 的新协议进行了测试, 该协议呈现了具有误导性的运动虚拟视觉反馈。初步结果表明, 我们信任直接和间接的触觉信号超过间接视觉信号。此外, 被试之间的差异会影响对不一致信号的反应, 因此, 受 VTF 干扰较大的受试者信任触觉信号上的误导性视觉信号。该方案可在上肢截肢者中进一步探讨, 他们使用假肢, 配备 VTF。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项研究没有得到资助。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer | Makerbot | https://www.makerbot.com/ | |
| Box and Blocks test | Sammons Preston | https://www.performancehealth.com/box-and-blocks-test | |
| Flexiforce sensors (1lb) | Tekscan Inc. | https://www.tekscan.com/force-sensors | |
| JASP | JASP Team | https://jasp-stats.org/ | |
| Labview | National Instruments | http://www.ni.com/en-us/shop/labview/labview-details.html | |
| Micro Arduino | Arduino LLC | https://store.arduino.cc/arduino-micro | |
| Motion capture system | Qualisys | https://www.qualisys.com | |
| Shaftless vibration motor | Pololu | https://www.pololu.com/product/1638 | |
| SPSS | IBM | https://www.ibm.com/analytics/spss-statistics-software |
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